光电专业毕业设计论文指导书.docx
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光电专业毕业设计论文指导书
河南工业职业技术学院
HenanPolytechnicInstitute
毕业设计
题目
光电传感器的发展趋势及应用
系别
光电工程系
专业
精密机械制造
班级
精密1003
姓名
方光辉
学号
1501100312
指导教师
贺军峰
日期
2012.10.15
指导教师（签名）：
进度要求：
第一阶段：
查找资料，进行题目的选择
时间安排：
一周
第二阶段：
对题目进行分析，并选择材料
时间安排：
一周
第三阶段：
进行结构设计及计算
时间安排：
一周
第四阶段：
论文出初稿
时间安排：
一周
第五阶段：
修改初稿，提交终稿
时间安排：
一周
摘要
光电传感器是利用光电效应制成的一类传感器的总称，它能将光学量转变为电学量，广泛应用于检测和自动化系统。
光电传感器包括光电池和光电阻传感器。
本文将以下几个方面：
1.什么是光电池和光电阻传感器；2.光电池和光电阻传感器的比较；3.光电传感器的实际应用；4.光电传感器在未来的发展方向，详细地介绍光电传感器，并提出本人对光电传感器在未来的预测。
传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。
传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。
人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。
传感器是信息系统的源头,在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。
本文回顾了传感器技术的发展历史，综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究应用状况，并通过简述当前的应用实例，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。
关键字：
光学量，电学量，光电池，光电阻传感器，信息技术等。
引言
传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。
传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。
人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。
传感器是信息系统的源头,在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。
本文回顾了传感器技术的发展历史，综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究应用状况，并通过简述当前的应用实例，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。
传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。
当今社会的发展是信息化社会的发展，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统，它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。
如果把计算机比喻为处理和识别信息的大脑，把通信系统比喻为传递信息的神经系统，那么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。
传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置现代传感器技术具有巨大的应用潜力拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。
第一章.光电传感器的发展现状
1.1传感器技术的发展历史
传感器技术是20世纪的中期才刚刚问世的，在那时与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段并没有投入到实际生产与广泛应用转化率比较低。
在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事科技航空航天领域的试验研究。
然而，随着各国机械工业、电子、计算自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。
我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。
但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器信号处理和识别系统仍然依赖进口。
阿同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成产品的改进与革新速度慢生产与应用系统的创新与改进少。
1.2传感器的分类
传感器可从不同角度分类。
从被测量不同,分为几何机械量（例如尺寸、角度、表面参数、位移、速度、加速度、角位移、角速度等）,热工量（例如温度、压力、流量、密度、黏度、质量等）,光学量（强度、功率、波长、频率、相位、速度、脉宽、延迟、折射率、束散角等）,声学量,生物参数,医学量（生理参数）等。
从传感器的输出不同,可分为模拟信号（连续波和脉冲波）,数字信号,电压和电流等传感器。
1.3.基于光电与生物传感器技术的国内外研究应用现状
21世纪是迈向信息化社会的崭新阶段。
其中，光电信息学与生物学的迅猛发展已成为这一时期科学技术发展的重要标志。
并最有机会寻求更大的突破与飞跃传感器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科，在人类迈向新世纪，步入信息化社会的关键阶段想要寻求空前迅速的发展，很大程度上取决于传感器在这两个前沿领域中的深入研究与广泛应用。
1.4当代光电传感器技术的研究应用现状
光电式传感器（PhotoelectricSensor）是以光为测量媒介，以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。
近年来，随着各种新型光电器件的不断涌现，特别是激光技术和图像技术的迅猛发展，光电传感器已成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件。
在传感器领域的扮演着重要角色，在非接触测量领域占据绝对统治地位。
目前，光电式传感器已在国民经济和科学技术各个领域得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。
其中，光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，并负责把光信号、红外、可见及紫外光辐射，转变成为电信号、光电器件响应快结构简单，使用方便而且有较高的可靠性，因此在自动检测、计算机和控制系统中应用广泛。
光电式传感器既可以测量光信号，也可以测量其他非光信号，它可以实现对直接引起光源变化的被测量进行测量，也可以对使光路产生变化的被测量进行测量，量电路对光电器件输出的电信号进行放大或转换。
光电传感器在当前科研领域的运用范围很广，影响力巨大，尤其是基于光电传感器技术原理研发和制造出的新型光电传感器已成为当今传感器市场的主流，在国外，光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、检测技术以及车辆工程等诸多领域。
例如，军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高，美国在航空航天领域，研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度。
国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解的指挥。
同时，国外现有汽车中常装载有新型光电传感器如激光防撞雷达、红外夜视装置、测量发动机燃料特性、压力变化并用于导航的光纤陀螺等。
目前我国的光电式传感器在现代研究实力和影响范围上虽不及日本和欧美一些国。
但却在研究的种类和样式上取得重大的突破，总体上可分为光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器以及细丝类物件的在线检测。
同时，基于光电传感器技术的科技设备已在我国被广泛地应用于多种军事领域，其中较为广泛的应属紫外告警系统，它为探测来袭导弹提供了一个极其有效的手段。
1.5当代生物传感器技术的研究现状
生物传感器技术是指用生物活性材料作为感受器，通过其生化效应来检测被测量的传感器。
生物传感器的原理主要由两大部分组成，生物功能物质的分子识别部分和转换部分。
前者的作用是识别被测物质，当生物传感器的敏感膜与被测物接触时，敏感膜上的某种生化活性物质就会从众多化合物中挑选适合于自己的分子并与之产生作用，使其具有选择识别的能力，转换部分是由于细胞膜受体与外界发生了共价结合，通过细胞膜的通透性改变诱发了一系列的电化学过程而这种变换得以把生物功能物质的分子识别转换为电信号形成了生物传感器。
生物传感器的研制和开发在全球学术界都具有巨大的影响力。
在国外，现代生物传感器已被详细划分为酶传感器、细胞传感器、免疫传感器、基因传感器等。
酶传感器方面，由于酶的纯化困难，加之固化技术影响酶的活性现代生物传感技术中采用多酶体系，利用即对不同化合物采用不同类型的酶进行最大活性的催化反应，并运用多酶的反馈调节可大大节省原材料并提高工作效率固定化底物电极，即使玻璃电极附近的，变化与酶的活性在一定范围内呈线性关系酶的电化学固定化即制作厚度小，酶含量可控的酶层细胞传感器以活细胞作为探测单元能定性定量地测量和分析未知物质的信息，并可连续检测和分析细胞在外界刺激下的生理功能免疫传感器是利用抗体对抗原的识别并能与抗原结合的功能构成的生物传感器。
根据生物敏感膜产生电位的不同，可分为标记和非标记免疫传感器。
现代基因传感器技术主要应用于基因固定的载体表面修饰和基因探针固定化技术、界面杂交技术、杂交信号转换和检测技术等。
在我国，生物传感器技术还处在大规模的研究阶段。
然而，结合国内外相关技术研制的生物传感器在我国当前的工业、农业、环境监测及生物医学等众多领域还是有着广泛和重要的应用。
在生物医学方面，一些有临床诊断意义的基质如血糖、乳酸、谷氨酰胺等可借助于生物传感器来检测在环境监测领域，生物传感器在测定环境污染指标即水质受有机物污染的程度方面起到了重要的作用。
为保证地区的淡水、饮用水质量，有效治理被污染水源等做出了贡献，微生物传感器用于测定空气和水中的含量和浓度，在发酵工业、整治大气污染等方面发挥功效。
生物传感器还可探测除草剂含量应用于植物学研究和整治农药污染。
在食品工业中，生物传感器用于食品鲜度滋味和熟度的测定，在食品生产和加工过程中起到重要作用，同时，还可测定食品中的细菌和毒素含量，及时避免人们误食此类食品危害健康。
1.6我国传感器发展应采取的措施
当前，我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。
我国在传感器生产产业化过程中，应该兼顾引进国外技术和自主创新两方面。
在引进国外先进技术中，可以提高自己的技术，同时也满足了国内市场的需求，形成了传感器生产产业规模。
今后国内传感器产业发展应采取以下措施：
：
（1）加大科技投入,保证传感器技术及其产业的可持续发展。
从战略发展考虑，国家应加大科技投入力度同时，国家在执行投资倾斜政策时，要注意支持传感器行业的骨干企业和特色企业，通过技术改造提高档次、扩大规模；重点支持具有发展潜力的地区形成生产基地，培育出传感器产业新的经济增长点。
（2）加大自主创新，提升自主知识产权比例。
21世纪传感器发展的总趋势是微型化、集成化、多功能化、智能化、网络化，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,尤其是微机械加工与微米/纳米技术。
我国应在现有技术基础上，在广泛吸收、消化、跟踪国外先进技术的同时，加大技术创新，努力发展专用技术、特色技术、自主知识产权技术要以提高企业自身的创新与开发能力为突破口,采取以企业为主体、高等院校和科研院所广泛参与，利益共享、风险共担的产、学、研联合的机制,组织协同攻关，占领技术制高点,增强企业核心竟争力，并逐步实现自主开发、自我发展的良性循环，创造出具有自主知识产权的名牌产品。
（3）加快科技人才开发。
传感器产业要生存、要发展、要振兴、要参与国内外市场竞争并立于不败之地，从某种意义上说是人，或者说是高科技人才在起决定性作用。
在此情况下，应大力开展人力资源开发，加快培养与造就科技人才，培养新一代的传感器专家。
（4）建立有利干传感器技术快速转化的高效运行机制。
以抓改革、抓创新、抓质量、抓市场、抓管理为主要任务，以传感器产业发展上规模、上档次、争份倾、创利润为主要目标，建立有利于传感器技术与经济紧密结合、促进其科技成果快速转化的高效运行机制，基本形成传感器产学研科技经济一体化的发展模式，努力实现传感器产业从速度数量型向质量效益型转变，以达到技术经济双升级，创新创业双赢的成效。
现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间。
传感器是信息系统的源头。
在客观对象的测量、测试、检测、监测、分析、定位、跟踪、导航、制导、控制及健康管理等系统中,传感器是不可缺少的且在一定程度上是决定系统性能的重要部件。
因此,无论是材料、元器件和部件,还是系统研发者对传感器进展高度关注。
传感器是科学和工程结合产物,既依赖于科学的新现象和新规律,又依赖于新技术和工艺。
目前，我国传感器产品及其产业化水平与国外发达国家相比还有很大的差距，而传感器技术的发展正处于由传统向新型传感器发展的关键阶段，传感器更新换代快、需求量大、需求增长速度快，由于国内传感器的发展落后于需求的增加，国内大片市场被国外产品所占领面对国际市场的竞争，我国传感器行业处于非常不利的地位，甚至在某些领城出现生存危机。
为此，国内传感器的研究开发工作应重视基础性研究,针对中试规模的新产品,在攻克制造工艺技术的前提下,进行工艺稳定性研究及市场应用研究，在确定产品性能稳定可靠工艺易于批量化生产，市场应用前景广阔的基础上，开展产业化技术及产业化配套技术研究、可靠性技术等方面研究，以市场需求为导向，积极调动各方面力量,以促进我国传感器行业的产业化进程。
因此，要抓住机遇，立意创新，迎接挑战，坚持走科技与产业相结合的道路，加强具有自主知识产权的新型传感器的开发，加速现有科研成果的转化和产业化，迅速提高国产传感器的市场占有率，这才是我国传感器产业自身发展的当务之急，也是我国传感器发展的必由之路。
第二章.光电传感器的结构及工作原理
2.1工作原理及工作示意图
光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。
光敏二极管是最常见的光传感器。
光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。
光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。
光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。
为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。
工作时集电结反偏，发射结正偏。
在无光照时管子流过的电流为暗电流I=（1+β）I（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流I增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流I=（1+β）I，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传
感器在一般情况下，有三部分构成
图2-1光电传感器的基本结构
它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
三角反射板是结构牢固的发射装置。
它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。
它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。
分类和工作方式⑴槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。
发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。
但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。
输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。
槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
⑵对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。
由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。
它的检测距离可达几米乃至几十米。
使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。
⑶反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。
正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。
正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。
当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图2-1，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.
光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：
1、发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。
它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。
因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。
2、丝灯泡这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。
如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。
光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图2-1所示。
2.2光敏电阻
1）光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
2）光敏电阻的伏安特性测量
图2-2光敏电阻的伏安特性
（1）按原理图2-2连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。
（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即
同时算出此时光敏电阻的阻值
。
以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据测量。
46.8
315.7
1099
2688.9
5436.7
2
0.056
0.203
0.404
0.614
0.810
4
0.113
0.412
0.830
1.251
1.643
6
0.174
0.621
1.245
1.874
2.457
8
0.232
0.831
1.670
2.505
3.281
10
0.290
1.040
2.088
3.139
4.103
（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线。
表2-1
图2-3
由图可知，在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。
2.3光敏二极管
光敏二极管也叫光电二极管。
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
光敏二极管的伏安特性测量
图2-3光敏二极管特性测试电路
（1）按原理图2-3接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。
（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流：
（l.00KΩ为取样电阻R），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。
（3）根据实验数据画出光敏二极管的一组伏安特性曲线。
16.2
109.4
380.8
931.7
1883.8
2
0.009
0.027
0.058
0.102
0.161
4
0.009
0.028
0.059
0.104
0.165
6
0.009
0.029
0.060
0.107
0.170
8
0.009
0.030
0.061
0.110
0.174
10
0.009
1.031
0.062
0.113
0.179
12
0.009
1.032
0.063
0.117
0.183
表2-2
图2-4光敏二极管伏安特性曲线
由图可知，光电二极管的在一定光强下，其光电流保持一定值，并不随光电压得增大而增大。
2.4光敏三极管
光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。
通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。
当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。
不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。
光敏三极管的伏安特性测量
16.2
109.4
380.8
931.7
1883.8
2
0.101
0.205
0.814
2.248
4.560
4
0.114
0.311
1.102
2.825
5.469
6
0.125
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